有机硅改性丙烯酸树脂的合成研究

有机硅改性丙烯酸树脂的合成研究郭虹1,郭红永1,于清章2,王成3,4(1.沈阳化工学院,沈阳110142;2.大连裕祥科技集团有限公司,辽宁大连116033;3.中国科学院上海应用物理研究所放射性药物研究中心,上海201800;41中国科学院研究生院,北京100049)摘要:利用有机硅单体对丙烯酸类树脂进行了化学改性;利用所改性的丙烯酸预聚物与锌盐反应,合成出丙烯酸锌树脂。探索了体系中不同质量分数的有机硅单体对树脂的单体转化率、黏度、固含量及用其制备的防污涂料性能的影响。并通过红外吸收光谱对所合成产物的进行了表征与分析。关键词:有机硅;改性;自抛光;防污涂料;丙烯酸树脂0引言为了能更进一步开发海洋资源,我国相继建造了许多大型船舶、钻井平台和港湾设施等大型钢铁结构。这些钢铁材料处于比陆地严酷5～6倍[1]的腐蚀和污损的海洋环境中,其中海洋生物的附着是船舶以及设备腐蚀的主要原因之一,通过涂装防污漆降低海洋生物的附着可以有效地防止腐蚀的发生。船底防污漆按防污剂的毒性分为两类:一是有毒或者低毒的防污涂料;二为无毒类防污涂料。随着人们环保意识的不断增强,低表面能防污涂料在无毒防污涂料中的应用研究越来越受到人们的关注。船用低表面能防污涂料主要分为有机硅系列和氟化物系列。前者显示出较好的防污效果,后者是目前表面能最低的材料。Robert,等[2]的研究表明,虽然同为低表面能涂料,但含氟和含硅防污涂料的防污机理有所不同。为了兼顾防污性能和涂层机械性能,通常采用有机硅或氟化物改性有机树脂,其中报道较多的是丙烯酸树脂。有机硅树脂中最主要的是聚硅氧烷类树脂,由于Si—O键的键能高、键角大、Si—O—Si主链柔软[3],侧链基团对主链起屏蔽作用,且不同的侧基基团可赋予有机硅大分子不同的性能,如引入长链烷基,可提高憎水性;引入乙烯基,可实现过氧化物引发交联聚合进而引入反应活性点,用于改性[4-5],这些链结构的特殊性赋予有机硅聚合物许多优异的性能,如极低的玻璃化转变温度及低表面能等。而涂料防污能力主要归功于低表面能、低玻璃化转变温度,以及在水中的稳定性。一般认为,低表面能防污涂料的表面能只有在低于25mN/m时,即涂料与液体的接触角大于98°时具有很好的防污效果[6-8]。Kawakami,等[9]用有机硅和甲基丙烯酸甲酯共聚,合成了具有一定耐水性、耐污性等特性的有机硅涂料。邱俊英,等[11]用氟醇和乙烯基硅氧烷为原料合成氟硅单体,然后与丙烯酸酯共聚制备了含氟硅的丙烯酸共聚物乳液,其乳胶膜对水的接触角达110°以上。本文采用化学方法在丙烯酸树脂中接枝含硅化合物,探索了不同含量的含硅化合物对涂料性能的影响,并用锌盐代替有机锡及铜盐合成出防污涂料。1实验1.1原料及仪器二甲苯、丁醇、氢氧化钾、无水乙醇:均为分析纯;丙烯酸及其酯类、锌盐、有机硅化合物:均为化学纯。NICOLETAVATAR2360型红外光谱仪;DF2101S恒温水浴;BS224S分析天平;WTY型加热套;D28401型多功能搅拌器;NDJ-8S数字显示黏度计及涂膜性能的检测设备。1.2实验原理丙烯酸类聚合物的合成利用的是自由基引发的聚合反应。1.2.1有机硅改性丙烯酸树脂预聚物的合成机理(式1)1.2.2有机硅改性丙烯酸锌树脂的合成机理(式2)1.3实验步骤1.3.1有机硅改性丙烯酸树脂预聚物的合成取二甲苯和丁醇共100mL放入250mL四口瓶中,当恒温水浴温度达到80℃时开动搅拌装置,缓慢滴加含丙烯酸及其酯类单体、有机硅化合物及引发剂的混合液,并在3h内滴完,得澄清透明的黏稠液体。1.3.2有机硅改性丙烯酸锌树脂的合成利用前述改性树脂与锌盐在90～120℃搅拌反应2h得到微黄的黏稠液体。2实验结果与表征2.1目标产物的表征将有机硅改性丙烯酸预聚物和改性丙烯酸锌树脂进行红外表征,所得结果如图1、图2所示。图1有机硅改性丙烯酸树脂的红外谱图图2丙烯酸锌树脂的红外谱图由图1可知:3257cm-1为O—H的伸缩振动峰,3445cm-1缔合的O—H的伸缩振动峰,2960cm-1、2874cm-1左右为甲基的C—H伸缩振动峰;1733cm-1为羧酸酯的CO伸缩振动峰,表征酯类化合物的存在;1453cm-1左右为亚甲基峰;1384cm-1为甲基伸缩振动峰;1130～1000cm-1为Si—O—C的反对称伸缩振动峰,1173cm-1为羧酸酯的C—O伸缩振动峰;其中1733cm-1、1173cm-1为丙烯酸树脂的特征吸收峰。而在图2中3257cm-1出O—H的伸缩震动峰消失,说明羧酸的羟基与锌盐发生了反应。2.2有机硅含量对丙烯酸树脂性能的影响2.2.1有机硅含量对丙烯酸预聚物转化率的影响考察了有机硅含量对有机硅改性丙烯酸树脂预聚物转化率的影响,实验结果如图3所示。图3有机硅质量分数与树脂预聚物的转化率的关系曲线由图3可知,随着有机硅质量分数的增加单体转化率逐渐降低。这是由于有机硅化合物具有很低的表面能,因而疏水疏油性很强,大量的有机硅存在容易形成一个具有低表面能的膜从而阻止了反应的进行,降低了单体的转化率。2.2.2有机硅含量对丙烯酸预聚物黏度的影响有机硅含量对丙烯酸预聚物黏度的影响如表2所示。表2有机硅含量对黏度的影响低有机硅含量合成的树脂分子链较短,黏度不高,随着有机硅含量的增加,树脂分子增长,黏度变大。当有机硅含量到达临界含量时单体转化率的降低导致树脂产率降低,体系的黏度降低。由表2可知适宜的有机硅质量分数为20%～25%。2.2.3有机硅含量对预聚物固体含量的影响有机硅含量对预聚物固含量的影响见表3。表3有机硅含量对固含量的影响由表3可以看出,有机硅含量的增加预聚物固体含量呈下降趋势,单体转化率下降,树脂的产率下降,从而树脂的固体含量下降。2.2.4有机硅含量对防污涂料基本物化性能的影响利用前述有机硅含量不同的有机硅改性丙烯酸锌树脂为基料,按表4防污涂料配方制备出不同有机硅含量的防污涂料。所得涂料漆膜常规性能检测结果见表5。表4防污涂料配方表5涂料、漆膜常规性能检测结果从表5中可以看出,不同含量的有机硅涂料的黏度差别很大,但是硬度却没有太大变化。这是因为体系的黏度主要是与涂料中树脂含量的多少有关,由于体系内单体的转化率降低,造成树脂的含量降低从而影响了涂料的黏性;而硬度则受到树脂中软硬单体比例、以及配方中颜填料含量的影响,由于涂料树脂的合成并没有改变软硬单体的比例,故涂料的硬度没有太大变化。综合各项测试结果,有机硅含量在20%时性能符合防污涂料漆膜基本性能要求。进一步的涂料防污性能试验正在进行中。值得一提的是,在有机硅丙烯酸预聚物的合成过程中要确保整个实验体系无水,以防有机硅在有水存在的情况下水解自聚成微凝胶。3结语(1)对有机硅改性丙烯酸树脂进行的单因素实验结果表明,随着有机硅含量的增加单体转化率下降从而树脂的产率下降,固体含量也随之下降。(2)对防污涂料进行的性能检测结果表明,有机硅含量20%时性能满足防污涂料漆膜基本理化性能要求。